Laser cu stare solidă: principiu de funcționare, aplicare

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Acest articol arată care sunt sursele de radiație monocromatică și ce avantaje are un laser cu stare solidă față de alte tipuri. Spune cum are loc generarea de radiații coerente, de ce dispozitivul cu pulsații este mai puternic, de ce este necesară gravarea. De asemenea, discută despre cele trei elemente esențiale ale unui laser și despre cum funcționează acesta.

Teoria zonei

Înainte de a vorbi despre modul în care funcționează un laser (în stare solidă, de exemplu), ar trebui luate în considerare câteva modele fizice. Toată lumea își amintește din lecțiile de la școală că electronii sunt localizați în jurul nucleului atomic pe anumite orbite sau niveluri de energie. Dacă avem la dispoziție nu un atom, ci mulți, adică luăm în considerare orice corp volumetric, atunci apare o dificultate.

Conform principiului Pauli, într-un corp dat cu aceeași energie poate exista doar un electron. Mai mult, chiar și cel mai mic grăunte de nisip conține un număr mare de atomi. În acest caz, natura a găsit o ieșire foarte elegantă - energia fiecăruiaelectronul diferă de energia celui învecinat printr-o cantitate foarte mică, aproape imposibil de distins. În acest caz, toți electronii de același nivel sunt „comprimați” într-o bandă de energie. Zona în care se află electronii cei mai îndepărtați de nucleu se numește zonă de valență. Zona care o urmează are o energie mai mare. În ea, electronii se mișcă liber și se numește bandă de conducție.

Emisia și absorbția

Orice laser (în stare solidă, gaz, chimic) funcționează pe principiile tranziției electronilor de la o zonă la alta. Dacă lumina cade pe corp, atunci fotonul conferă electronului suficientă putere pentru a-l pune într-o stare de energie mai mare. Și invers: atunci când un electron trece din banda de conducție în banda de valență, emite un foton. Dacă substanța este un semiconductor sau dielectric, benzile de valență și de conducere sunt separate printr-un interval în care nu există un singur nivel. În consecință, electronii nu pot fi acolo. Acest interval se numește band gap. Dacă fotonul are suficientă energie, atunci electronii sar peste acest interval.

Generație

Principiul de funcționare al unui laser cu stare solidă se bazează pe faptul că în banda interzisă a unei substanțe este creat un așa-numit nivel invers. Durata de viață a unui electron la acest nivel este mai lungă decât timpul petrecut în banda de conducție. Astfel, într-o anumită perioadă de timp, electronii se „acumulează”. Aceasta se numește populație inversă. Când trece de un asemenea nivel punctatelectroni, trece un foton cu lungimea de undă dorită, determină generarea simultană a unui număr mare de unde luminoase de aceeași lungime și fază. Adică, electronii dintr-o avalanșă trec toți simultan în starea fundamentală, generând un fascicul de fotoni monocromatici de o putere suficient de mare. Trebuie menționat că principala problemă a dezvoltatorilor primului laser a fost căutarea unei astfel de combinații de substanțe pentru care ar fi posibilă o populație inversă a unuia dintre niveluri. Rubinul aliat a devenit prima substanță de lucru.

Compoziție laser

Laserul cu stare solidă nu diferă de alte tipuri în ceea ce privește componentele sale principale. Corpul de lucru, în care se realizează populația inversă a unuia dintre niveluri, este iluminat de o sursă de lumină. Se numește pompare. Adesea, aceasta poate fi o lampă cu incandescență obișnuită sau un tub cu descărcare în gaz. Două capete paralele ale fluidului de lucru (un laser cu stare solidă înseamnă un cristal, un laser cu gaz înseamnă un mediu rarefiat) formează un sistem de oglinzi sau un rezonator optic. Acesta colectează într-un fascicul doar acei fotoni care merg paralel cu ieșirea. Laserele cu stare solidă sunt de obicei pompate cu lămpi blitz.

Tipuri de lasere cu stare solidă

În funcție de modul de ieșire al fasciculului laser, se disting laserele continue și în impulsuri. Fiecare dintre ele își găsește aplicație și are propriile sale caracteristici. Principala diferență este că laserele cu stare solidă pulsate au o putere mai mare. Pentru că pentru fiecare loviturăfotonii par să se „acumuleze”, apoi un impuls este capabil să furnizeze mai multă energie decât generarea continuă într-o perioadă similară de timp. Cu cât impulsul durează mai scurt, cu atât este mai puternică fiecare „împușcătură”. În acest moment, este posibil din punct de vedere tehnologic să construim un laser de femtosecundă. Unul dintre impulsurile sale durează aproximativ 10-15 secunde. Această dependență este legată de faptul că procesele de retropopulare descrise mai sus durează foarte, foarte puțin. Cu cât este nevoie să aștepte mai mult înainte ca laserul să „trage”, cu atât mai mulți electroni au timp să părăsească nivelul invers. În consecință, concentrația de fotoni și energia fasciculului de ieșire sunt reduse.

Gravare cu laser

Modele de pe suprafața obiectelor din metal și sticlă împodobesc viața de zi cu zi a unei persoane. Pot fi aplicate mecanic, chimic sau cu laser. Ultima metodă este cea mai modernă. Avantajele sale față de alte metode sunt următoarele. Deoarece nu există un impact direct asupra suprafeței care trebuie tratată, este aproape imposibil să deteriorați un lucru în procesul de aplicare a unui model sau inscripție. Raza laser arde caneluri foarte puțin adânci: suprafața cu o astfel de gravură rămâne netedă, ceea ce înseamnă că lucrul nu este deteriorat și va dura mai mult. În cazul metalului, fasciculul laser modifică însăși structura substanței, iar inscripția nu va fi ștearsă mulți ani. Dacă un lucru este folosit cu atenție, nu este scufundat în acid și nu este deformat, atunci pentru câteva generații modelul de pe el va fi cu siguranță păstrat. Cel mai bine este să alegeți un laser cu impulsuri în stare solidă pentru gravare din două motive: procese în stare solidămai ușor de condus și este optim în ceea ce privește puterea și prețul.

Instalare

Există setări speciale pentru gravare. Pe lângă laserul în sine, ele constau din ghidaje mecanice de-a lungul cărora se mișcă laserul și echipamente de control (calculator). Mașina cu laser este utilizată în multe ramuri ale activității umane. Mai sus, am vorbit despre decorarea obiectelor de uz casnic. Tacâmurile personale, brichetele, paharele, ceasurile vor rămâne în familie mult timp și vă vor aminti de momente fericite.

Cu toate acestea, nu numai produsele casnice, ci și produsele industriale au nevoie de gravare cu laser. Marile fabrici, precum automobile, produc piese în cantități uriașe: sute de mii sau milioane. Fiecare astfel de element ar trebui marcat - când și cine l-a creat. Nu există o modalitate mai bună decât gravarea cu laser: numerele, timpul de producție, durata de viață vor rămâne mult timp chiar și pe piesele în mișcare, pentru care există un risc crescut de abraziune. Mașina laser în acest caz ar trebui să se distingă prin putere crescută, precum și prin siguranță. La urma urmei, dacă gravura schimbă proprietățile unei piese metalice chiar și cu o fracțiune de procent, ea poate reacționa diferit la influențele externe. De exemplu, rupeți în locul în care este aplicată inscripția. Cu toate acestea, pentru uz casnic, este potrivită o instalare mai simplă și mai ieftină.